به دلیل صرفه جویی در مصرف انرژی، استحکام، و ظرفیت تولید رنگ های دقیق، دیودهای ساطع کننده نور یا ال ای دی ها، اجزای ضروری نورپردازی، نمایشگرها و فناوری معاصر هستند. ساختار نیمه هادی که بازده تبدیل انرژی الکتریکی به نور و رها شدن طول موج های خاص (رنگ ها) را کنترل می کند، برای عملکرد آنها ضروری است. این مقاله به جای تمرکز بر فرمول ها یا نمونه های مواد خاص، ارتباط بین طراحی نیمه هادی، کارایی و خروجی رنگ را با برجسته کردن مفاهیم ساختاری بررسی می کند.
Semiconductor Bandgap: Color Emission's Foundation
شکاف باند نیمه هادی، یا اختلاف انرژی بین باند ظرفیت آن، جایی که الکترون ها باقی می مانند، و نوار رسانایی، جایی که الکترون ها آزادانه حرکت می کنند، اساساً چیزی است که رنگ نوری را که یک LED ساطع می کند تعیین می کند. فوتون انرژی آزاد شده زمانی است که یک الکترون از نوار رسانایی به باند ظرفیتی حرکت می کند. طول موج (رنگ) این فوتون مستقیماً با انرژی شکاف باند آن مرتبط است: فوتونهای انرژی بالاتر{{2} (طول موجهای کوتاهتر، مانند آبی) توسط یک شکاف باند بیشتر تولید میشوند، در حالی که فوتونهای انرژی کمتر{{3} (طول موجهای بلندتر، مانند قرمز) توسط یک شکاف باند کوچکتر تولید میشوند.
از نوع bandgap نیمه هادی ها برای طبقه بندی آنها استفاده می شود:
مواد باند گپ مستقیم: این مواد برای LED ها عالی هستند زیرا الکترون ها و حفره ها به طور موثری برای ایجاد نور ترکیب می شوند.
مواد با شکاف باند غیرمستقیم: نوترکیب نیاز به انرژی اضافی از ارتعاشات شبکه دارد که منجر به انتشار نور ناکافی می شود.
برای به دست آوردن رنگهای خاص، فنآوران میتوانند با تغییر ترکیب آلیاژهای نیمهرسانا،-فاصله نواری را تنظیم کنند. به عنوان مثال، انتشار در سراسر طیف مرئی زمانی امکان پذیر است که اجزا در نسبت های دقیق مخلوط شوند. یک LED آبی معمولاً با پوششهای فسفری ترکیب میشود که مقداری نور آبی را به طول موجهایی با دامنه وسیعتر تبدیل میکند تا نور سفید تولید کند.
طراحی دوپینگ و اتصالات برای بهینه سازی تولید نور
نور در محل اتصال p-n، که رابط بین لایه های نیمه هادی است که دارای بار منفی (n-نوع) و بار مثبت (p-نوع) هستند، تولید می شود. کارایی به طور قابل توجهی تحت تأثیر کیفیت و دوپینگ این اتصال یا افزودن عمدی ناخالصی ها است:
دوپینگ
دوپینگ نوع P اتم هایی با الکترون های کمتر از نیمه هادی برای ایجاد "حفره ها" (حامل بار مثبت) اضافه می کند.
با معرفی اتمهایی با الکترونهای اضافی، n-نوع دوپینگ الکترونهای اضافی تولید میکند.
هنگامی که ولتاژ تامین میشود، الکترونها و سوراخها به محل اتصال میریزند و برای تولید نور دوباره ترکیب میشوند.
کارایی نوترکیبی:
فرآیند مطلوب نوترکیبی تشعشعی، فوتونها را با ترکیب الکترونها و حفرهها آزاد میکند.
بازترکیب غیر{0} تابشی (ناخواسته): نقص یا ناخالصی باعث هدر رفتن انرژی به عنوان گرما می شود.
به لطف کریستال های نیمه هادی با خلوص{0} بالا و فرآیندهای ساخت پیچیده که نقص ها را کاهش می دهد، انرژی بیشتری به نور تبدیل می شود.
مهندسی اتصال: برای افزایش راندمان نوترکیبی، LED های مدرن الکترون ها و حفره ها را در داخل ناحیه فعال با استفاده از ساختارهای چند لایه محدود می کنند. از جمله روش ها عبارتند از:
هتروساختارهای دوگانه: استفاده از مواد با شکاف باند وسیعتر برای احاطه کردن لایه فعال و به دام انداختن حاملها.
لایههای فوقالعاده نازک به نام چاههای کوانتومی، حرکت الکترون را محدود میکند، نوترکیب تابشی را بهبود میبخشد و امکان تنظیم رنگ دانهریز- را فراهم میکند.
معماری لایه ای: بهبود تولید نور
چندین لایه نیمه هادی در آن استفاده می شودطرح های LED پیشرفتهبرای بهبود عملکرد:
لایه ای که نور تولید می کند به عنوان "منطقه فعال" شناخته می شود. نرخ نوترکیبی و انرژی فوتون با ضخامت و ترکیب آن تعیین می شود.
لایه های محصور کننده: برای جلوگیری از نشت حامل، موادی با فاصله باند بیشتر ناحیه فعال را احاطه می کنند.
مواد رسانای شفاف که به عنوان «لایههای پخش{0} فعلی» شناخته میشوند، جریان الکتریکی را به طور یکنواخت پخش میکنند، مقاومت و تجمع گرما را کاهش میدهند.
لایه های بازتابنده: سازه هایی که با تغییر مسیر نور محبوس شده داخلی به سمت سطح، روشنایی کلی را افزایش می دهند.
این لایهها با هم، تعامل مؤثر الکترون-حفره را تضمین میکنند و در عین حال تلفات انرژی را کاهش میدهند.
معماری فیزیکی: استخراج نور کارآمد
اطمینان از خروج نور تولید شده از نیمه هادی، مشکل اصلی طراحی LED ها است. بخش زیادی از نور در مواد نیمه هادی به دلیل ضریب شکست بالای آنها منعکس می شود. این از طریق نوآوری های ساختاری مورد توجه قرار می گیرد:
بافت سطحی: نور توسط یک سطح نیمه هادی زبر پراکنده می شود که بازتاب داخلی را کاهش می دهد و راندمان استخراج را افزایش می دهد.
شکل هندسی: نور توسط سطوح منحنی یا زاویه دار به بیرون هدایت می شود.
یکپارچه سازی لنز: خروجی نور با قرار دادن LED در یک عدسی گنبدی- متمرکز و تقویت می شود.
با استفاده از این روش ها، اطمینان حاصل می شود که فوتون های بیشتری تولید می شود و به جای هدر رفتن به عنوان گرما، به نور مفید کمک می کند.
کنترل حرارتی: حفظ راندمان
طول عمر و کاراییچراغ سه گانه LEDبه طور قابل توجهی تحت تأثیر گرما قرار می گیرند. گرمای بیش از حد می تواند رنگ را با تغییر طول موج ساطع شده و سرعت بخشیدن به نوترکیب غیر تابشی، که باعث کاهش روشنایی می شود، تغییر دهد. تاکتیک های مهم عبارتند از:
زیرلایه هایی با رسانایی حرارتی بالا موادی هستند که به سرعت گرما را از ناحیه فعال آزاد می کنند.
قطعات فلزی که گرما را جذب و تابش می کنند به عنوان هیت سینک شناخته می شوند.
طرح هایی که مقاومت حرارتی بین نیمه هادی و دنیای بیرون را کاهش می دهند به عنوان بسته بندی پیشرفته شناخته می شوند.
خروجی رنگ پایدار و طول عمر LED طولانی با مدیریت گرمای کارآمد تضمین شده است.
معماری های پیچیده نیمه هادی
محدودیت های عملکرد LED توسط فناوری های نوظهور تحت فشار قرار می گیرند:
نیمه هادی های نانوساختار از سیم ها یا نقاط ریز تشکیل شده اند که استخراج نور را بهبود می بخشد و عیوب را به حداقل می رساند.
ترکیبی از نیمه هادی های معدنی و آلی برای استفاده از کیفیت های نوری خاص به عنوان مواد ترکیبی شناخته می شود.
طرحهای انعطافپذیر: الایدیها برای فناوری پوشیدنی و نمایشگرهای منحنی توسط نیمههادیهای نازک و انعطافپذیر امکانپذیر میشوند.
کارایی، خلوص رنگ، و سازگاری برنامه همگی در نظر گرفته شده اند تا با این پیشرفت ها بیشتر شوند.
